(57)【要約】【課題】  パワーモジュールの冷却性を向上させ、信頼性の向上した車両用回転電機を提供することにある。【解決手段】  電力用パワーモジュール１８は、冷却板１７と、この冷却板１７の上に絶縁基板２２，２３を介して実装された半導体素子２０，２１と、冷却板１７の絶縁基板の取り付け面と反対側の面に形成された冷却フィン１７ａとからなる。冷却板１７の冷却フィンの取り付け面とリアブラケット１０の外面との間には隙間を設けられ、カバー１５の空気取り入れ部１５ａから導入された外気は、冷却板１７の冷却フィン１７ａの取り付け面とリアブラケット１０の外面との間に導入される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、ステータと、前記ロータを回転可能に支承するとともに、前記ステータを前記ロータに対して空隙を介して支持するフロント及びリアブラケットと、前記リアブラケットに取り付けられるとともに、前記ステータのステータコイルと電気的に接続される電力用パワーモジュールと、前記電力用パワーモジュールを覆うとともに、前記リアブラケットに取り付けられたカバーとからなる車両用回転電機であって、
前記電力用パワーモジュールは、冷却板と、この冷却板の上に絶縁基板を介して実装された半導体素子と、前記冷却板の絶縁基板の取り付け面と反対側の面に形成された冷却フィンとからなり、
前記冷却板の冷却フィンの取り付け面と前記リアブラケットの外面との間には隙間を設けて、前記冷却板は前記リアブラケットに取り付けられ、前記カバーに設けられた空気取り入れ部から導入された外気を、前記冷却板の冷却フィンの取り付け面と前記リアブラケットの外面との間に導入して、前記冷却フィンを冷却することを特徴とする車両用回転電機。
【請求項２】
請求項１記載の車両用回転電機において、
前記外気は、前記冷却フィンを通過した後、ステータコイルの冷却に利用されるとともに、
前記冷却フィンは、前記カバーの空気取り入れ部から前記ステータコイルまでの流路の通風ガイドとなることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項３】
請求項１記載の車両用回転電機において、
前記冷却板の半導体素子取り付け面側に取り付けられ、前記半導体素子の周囲を囲むように形成された壁部を有する樹脂ケースと、
前記半導体素子の表面を覆うように実装されたシール材を備えたことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項４】
請求項３記載の車両用回転電機において、
前記樹脂ケースは、前記ロータに電流を供給するブラシを保持するブラシホルダー部が一体で形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用回転電機に係り、特に、電力用のパワー半導体素子を実装した車両用回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開平９−３３１６４５号公報や特開平８−３３６２５８号公報に記載のように、車両用発電機のエンドブラケットに、電子部品を搭載した基板を固定し、電子部品の発熱をエンドブラケットを介して放熱するものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３３１６４５号公報
【特許文献２】特開平８−３３６２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、環境の観点から、エンジンのアイドリングストップのニーズにより、一台の回転電機で駆動と発電の両方の機能を持った電動発電機のような回転電機がが開発されている。電動機としては、大出力化を図るため、３００〜６００Ａ程度の大電流を流す必要がある。したがって、電力用のパワー半導体素子（例えば整流素子，電圧調整器，電力変換装置（インバータ等）など）にも大電流が流れるため、発熱量も大きくなっている。
【０００５】
一方、特開平９−３３１６４５号公報や特開平８−３３６２５８号公報に記載のような車両用発電機においては、流れる電流もそれほど大きなため、車両用発電機のエンドブラケットに、電子部品を搭載した基板を固定し、電子部品の発熱をエンドブラケットを介して放熱する構造でも、十分に電子部品の冷却が可能である。しかしながら、上述のようなパワー半導体素子を用いたパワーモジュールに大電流を流す場合には、発熱量も大きく、前記従来技術の方式では、純分にパワーモジュールを冷却することはできず、パワーモジュールの信頼性が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、パワーモジュールの冷却性を向上させ、信頼性の向上した車両用回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、ロータと、ステータと、前記ロータを回転可能に支承するとともに、前記ステータを前記ロータに対して空隙を介して支持するフロント及びリアブラケットと、前記リアブラケットに取り付けられるとともに、前記ステータのステータコイルと電気的に接続される電力用パワーモジュールと、前記電力用パワーモジュールを覆うとともに、前記リアブラケットに取り付けられたカバーとからなる車両用回転電機であって、前記電力用パワーモジュールは、冷却板と、この冷却板の上に絶縁基板を介して実装された半導体素子と、前記冷却板の絶縁基板の取り付け面と反対側の面に形成された冷却フィンとからなり、前記冷却板の冷却フィンの取り付け面と前記リアブラケットの外面との間には隙間を設けて、前記冷却板は前記リアブラケットに取り付けられ、前記カバーに設けられた空気取り入れ部から導入された外気を、前記冷却板の冷却フィン取り付け面と前記リアブラケットの外面との間に導入して、前記冷却フィンを冷却するようにしたものである。  
かかる構成により、パワーモジュールの冷却性を向上させ、回転電機の信頼性の向上し得るものとなる。
【０００８】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記外気は、前記冷却フィンを通過した後、ステータコイルの冷却に利用されるとともに、前記冷却フィンは、前記カバーの空気取り入れ部から前記ステータコイルまでの流路の通風ガイドとしたものである。
【０００９】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記冷却板の半導体素子取り付け面側に取り付けられ、前記半導体素子の周囲を囲むように形成された壁部を有する樹脂ケースと、前記半導体素子の表面を覆うように実装されたシール材を備えるようにしたものである。
【００１０】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記樹脂ケースは、前記ロータに電流を供給するブラシを保持するブラシホルダー部が一体で形成されているものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、冷却を向上させ、かつ信頼性の高い車両用回転電機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態による車両用回転電機の構成について説明する。  
最初に、図１を用いて、本実施形態による車両用回転電機の全体構成について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態による車両用回転電機の全体構成を示す断面図である。なお、図１〜図６において、同一符号は、同一部分を示している。
【００１４】
本実施形態の回転電機は、主として、ロータと、ステータと、ハウジングを構成するブラケットから構成されている。最初にロータの構成について説明する。回転子軸１には、界磁コイル４を装着した爪型回転子コア３が固定されている。回転子３の両端には、フィン１１が固定されている。回転子軸１の両端は、軸受７，８を介して一対のブラケット（フロントブラケット，リアブラケット）９，１０により保持されている。
【００１５】
リアブラケット１０から突出する回転子軸１の一端側の周りには、界磁コイル４に電流を供給するためのスリップリング１２が配置されている。スリップリング１２には、ブラシ１３を介して界磁電流が供給される。回転子軸１の一方の端部には、回転子の回転を検出するためマグネット１６が取り付けられ、回転子軸１と一緒に回転する。回転検出用回路基板１９には、マグネット１６と隙間を介して、ホールIC１９ａが装着されている。マグネット１６が回転することにより生じる磁界の変化は、ホールIC１９ａによって検出され、ロータの回転が検出される。回転子軸１の他方の端部には、プーリー２が固定されている。
【００１６】
次に、ステータの構成について説明する。ステータコア５にはステータコイル６が装着されている。ステータコア５は、爪型回転子３に対して、微小空隙を介して配置され、フロントブラケット９，リアブラケット１０によって挟持されている。ステータコイル６は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相コイルがＹ結線されて１組のステータコイルを構成すると共に、このステータコイルが２組備えられている。
【００１７】
ブラシ１３は、絶縁性を有する樹脂製のブラシホルダ２４ｃによって保持されている。パワーモジュール１８と、ブラシホルダ２４ｃは、リアブラケット１０の外面に対して、一体的にネジ止めされている。このとき、パワーモジュールの底面（冷却板となる金属板部）側と、リアブラケット１０の外面の間には、隙間が形成されている。
【００１８】
また、リアブラケット１０の外面には、ステータコイル６に誘起された電力を出力させる出力端子１４が取り付けられている。さらに、パワーモジュール１８と、マグネット１６とは、リアカバー１５により覆われている。リアカバー１５の外周の円周方向には、図５を用いて後述するように、複数の外部空気取り入れ部１５ａが形成されている。回転子３の回転時には、冷却フィン１１が回転することで、カバー１５の外周部に設けた外部空気取り入れ部１５ａから外気が導入され、パワーモジュールの底面（冷却板となる金属板部）側と、リアブラケット１０の外面の間の隙間を介して外気が導入され、パワーモジュールの底面を冷却し、さらに、その外気は、リアブラケット１０とフロントブラケット９の内部（すなわち、回転電機の内部）に導入され、界磁コイル４及びステータコア５から生じる熱を奪って発電効率を高めている。
【００１９】
すなわち、本実施形態では、パワーモジュールの底面（冷却板となる金属板部）側と、リアブラケット１０の外面の間の隙間を介して導入された外気によって、パワーモジュールの底面を冷却する点に特徴がある。従来の方式では、パワーモジュールの底面に相当する電子部品の回路基板は、エンドブラケットの外面に取り付けられている。そして、外気は、エンドブラケットの内面側（回転電機の内面側）に導入される。そのため、導入された外気は、界磁コイル４及びステータコア５から生じる熱によって常温よりも高温となり、この温度の外気で電子部品の回路基板を冷却するような構造であるため、電子部品として３００〜６００Ａ程度の大電流を流す電力用のパワー半導体素子を用いた場合、発熱量が大きく、十分な冷却が行えないこととなる。それに対して、本実施形態では、界磁コイル４及びステータコア５の熱によって昇温される前の常温の外気によって直接電力用のパワー半導体素子を冷却するようにしているため、冷却効率が向上し、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。
【００２０】
次に、図２〜図４を用いて、本実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの詳細構成について説明する。
【００２１】
図２は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す正面図である。図３は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す部分断面図であり、図２のＡ−Ａ断面及び図４のＢ−Ｂ断面を示している。図４は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す背面図である。
【００２２】
パワーモジュール１８は、図３に示すように、金属製の冷却板１７と、樹脂製のブラシホルダ２４ｃも一体的に形成された樹脂ケース２４を主たる構造材としている。
【００２３】
冷却板１７の上には、絶縁基板２２，２３が固定されている。絶縁基板２２，２３の上には、ハンダにより半導体素子２０，２１が装着されている。半導体素子２０，２１は、それぞれ、電力用の半導体スイッチング素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、電力用半導体スイッチング素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆとから構成されている。これらの半導体素子は、例えば、ＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）−ＦＥＴからなる。回転電機を電動機として用いる場合には、これらのスイッチング素子は、直流電源（例えば、バッテリ）からの直流電圧を交流電圧に変換するために用いられる。また、回転電機を発電機として用いる場合には、これらのスイッチング素子は、発電機の出力である交流電圧を直流電圧に変換して、バッテリに蓄電するために用いられる。
【００２４】
ここで、前述したように、ステータコイルは２組のＹ結線されたコイルから構成されるため、例えば、半導体素子２０は第１組のコイルに対して設けられる。例えば、電力用の半導体スイッチング素子２０ａ，２０ｂは、Ｕ相上アームと下アームに設けられ、半導体スイッチング素子２０ｃ，２０ｄは、Ｖ相上アームと下アームに設けられ、半導体スイッチング素子２０ｅ，２０ｆは、Ｗ相上アームと下アームに設けられる。また、半導体素子２１は第２組のコイルに対して設けられる。
【００２５】
一方、樹脂ケース２４は、その外周に壁部２４ａを有している。図３に示すように、壁部２４ａは、樹脂ケース２４が冷却板１７と接する面とは反対側に設けられている。そして、樹脂ケース２４には、バスバー２５がモールド成形により一体的に埋め込まれている。半導体素子２０，２１とバスバー２５とは、ワイヤボンディング２６で接続されている。バスバー２５の端部には、結線部２５ａが壁部２４ａから突出して設けられている。結線部２５ａは、図１に示したように、ステータコイル６に電気的に接続される。
【００２６】
また、樹脂ケース２４には、ブラシホルダ２４ｃも一体的に形成されている。
【００２７】
図３に示すように、冷却板１７と樹脂ケース２４は、接着樹脂等で接着され一体化されている。壁部２４ａは、冷却板１７に取り付けられた半導体素子２１の外周を囲むように設けられているため、電力用半導体素子２０，２１の表面をシリコンゲル２７等のシール材で被覆し、半導体表面を保護したとき、壁部２４ａは、流れ止めとして機能する。
【００２８】
図１に示したように、冷却板１７と樹脂ケース２４は、リアブラケット１０にネジ止めされる。このとき、樹脂ケース２４がネジの締め付けトルクで割れ等が生じるのを防止するため、図３に示すように、樹脂ケース２４のネジ取り付け部には、金属製のリングがモールド成形で埋め込まれている。
【００２９】
図４に示すように、冷却板１７の背面側には、複数個の冷却フィン１７ａが放射状に形成されている。冷却フィン１７ａの高さは、図３に示すように、リアブラケット１０に対する取り付けネジ部の高さと同じにしている。したがって、リアカバー１５の外周の円周方向に形成された複数の外部空気取り入れ部１５ａから導入された外気は、パワーモジュールの底面（冷却板となる金属板部）側と、リアブラケット１０の外面の間の隙間から冷却フィン１７ａに沿って回転電機の回転軸１の方向に進み、パワーモジュール１８の底面を冷却する。すなわち、冷却フィン１７が通風ガイドとして機能している。さらに、その外気は、図１に示したように、リアブラケット１０の開口からリアブラケット１０とフロントブラケット９の内部（すなわち、回転電機の内部）に導入され、界磁コイル４及びステータコア５を冷却する。
【００３０】
図１に示したように、金属製の冷却板１７は、金属製のリアブラケット１０に取り付けられている。パワーモジュール１８のアースは、冷却板１７に接続されているため、リアブラケット１０を介して、車両のボディにアースされる。一方、リアブラケット１０は、ステータコイル６等の発熱で昇温している。このステータコイル等の発熱が、冷却板１７に伝わる量を低減するため、図４に示したように、３カ所の取り付け部１７ｂのみとして、リアブラケット１０と冷却板１７の間の電気的接続をとるとともに、熱の影響が伝わることを極力低減するようにしている。
【００３１】
次に、図５及び図６を用いて、本実施形態による車両用回転電機に用いるリアカバー１５の構成について説明する。
【００３２】
図５は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるリアカバーの構成を示す斜視図である。図６は、本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるリアカバーに対するパイプの取り付け状態を示す断面図である。
【００３３】
図５に示すように、リアカバー１５の外周の円周方向には、複数の外部空気取り入れ部１５ａが形成されている。また、リアカバー１５には、換気用のパイプ取り付け部１５ｂが形成されている。そして、図６に示すように、リアカバー１５には、換気用のパイプ２８が装着され、スリップリング１２とブラシ１４の摺動時の気圧を大気と同じレベルにしている。これにより、スリップリング１２の異常摩耗を防止することができる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、リアブラケットと冷却板の間の隙間に導入した外気により冷却板を冷却するようにしているため、冷却板に取り付けられたパワーモジュールの冷却効率を向上させ、信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態による車両用回転電機の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す正面図である。
【図３】本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるパワーモジュールの構成を示す背面図である。
【図５】本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるリアカバーの構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による車両用回転電機に用いるリアカバーに対するパイプの取り付け状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
３…回転子
９，１０…ブラケット
１１…フィン
１８…パワーモジュール
１５…リアカバー
１７…冷却板
１７ａ…放熱フィン
２０，２１…パワー半導体素子
２２，２３…絶縁基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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